基于L2觸發(fā)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換研究

 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包含多種不同接入技術(shù)，如WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）、WiFi（Wireless Fidelity）和UMTS（Universal Mobile Telecomm-
unications System），而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同接入網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫切換是移動(dòng)性管理研究的重點(diǎn)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換劃分為鏈路層切換和網(wǎng)絡(luò)層切換兩種類型。在鏈路層切換中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換的目標(biāo)基站位于同一IP子網(wǎng)內(nèi)，僅僅需要與新基站重新建立鏈路層的連通性，而無(wú)需改變IP地址、默認(rèn)路由、網(wǎng)絡(luò)前綴等配置。在網(wǎng)絡(luò)層切換中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換的目標(biāo)基站位于不同子網(wǎng)或不同網(wǎng)絡(luò)中，為確保會(huì)話的連通性，需要鏈路層的重新建立和網(wǎng)絡(luò)層IP地址、默認(rèn)路由、網(wǎng)絡(luò)前綴的重新配置。
    因特網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）提出了網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理協(xié)議：移動(dòng)IPv6（MIPv6）及擴(kuò)展切換FMIPv6，能夠保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)中的連通性[1]。MIPv6本質(zhì)上為硬切換，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在切換開(kāi)始時(shí)必須先中斷與當(dāng)前接入路由器連接，直至網(wǎng)絡(luò)層完成移動(dòng)檢測(cè)、地址沖突檢測(cè)、綁定更新才能恢復(fù)通信,這將產(chǎn)生較高的切換時(shí)延和丟包率,導(dǎo)致用戶可察覺(jué)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）降低。IETF RFC5268制定了FMIPv6協(xié)議,有效地降低了MIPv6切換丟包和切換時(shí)延。在FMIPv6協(xié)議中定義了L2鏈路層觸發(fā)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到移向新接入路由器（NAR）時(shí)，在斷開(kāi)原接入路由器（PAR）連接之前，執(zhí)行移動(dòng)檢測(cè)、地址沖突檢測(cè)，從而減少了切換時(shí)延和丟包率。然而，F(xiàn)MIPv6并沒(méi)有規(guī)定L2觸發(fā)時(shí)刻，因此本文結(jié)合IEEE 802.21媒體獨(dú)立切換MIH（Media Independent Handover）協(xié)議提出一種基于L2層觸發(fā)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換的解決方案[2]。
1 MIH切換模型
　 IEEE 802.21工作組在L2鏈路層和L3網(wǎng)絡(luò)層之間定義了MIH框架，獨(dú)立于特定接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，增強(qiáng)了異構(gòu)IEEE 802接入網(wǎng)絡(luò)之間的最優(yōu)化切換，同時(shí)推動(dòng)了IEEE 802和非IEEE 802接入網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)）之間的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換。MIH定義了三種類型的服務(wù)：媒體獨(dú)立事件服務(wù)（MIES）、媒體獨(dú)立命令服務(wù)（MICS）和媒體獨(dú)立信息服務(wù)（MIIS）。MIES檢測(cè)和預(yù)測(cè)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、邏輯鏈路層的動(dòng)態(tài)改變,提供底層到高層的單向服務(wù)，如Link_Down、Link_Going_Down、Link_Up和Link_Handover_Imminent；MICS用于高層控制和管理切換期間的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、邏輯鏈路層的最佳鏈路重配置和選擇，所有MICS都具有強(qiáng)制性； MIIS通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的MIH功能（MIHF）模塊之間的交互提供與切換相關(guān)的鄰居網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)信息。MIHF提供的這些服務(wù)可以保證不同接入技術(shù)不同QoS等級(jí)的服務(wù)連續(xù)性和自適應(yīng)性，有助于網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)選擇和切換策略的制定[3]。
    圖1描述了MIH在協(xié)議棧的位置及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)之間的交互。所有MIH用戶具備MIHF實(shí)體，MIHF與MIH用戶、MIHF與低層之間的通信依賴于已定義的服務(wù)原語(yǔ)，服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）包含一套服務(wù)原語(yǔ)[4]。目前802.21標(biāo)準(zhǔn)定義了3種SAP：MIH_SAP、MIH_LINK_SAP和MIH_NET_SAP。MIH_SAP是MIHF實(shí)體與協(xié)議棧高層移動(dòng)性管理協(xié)議之間的接口，通常保持相同的名字和原語(yǔ)。MIH_LINK_SAP是MIHF實(shí)體與協(xié)議棧低層特定接入技術(shù)之間的抽象接口，在特定媒體將重新命名和定義，例如3GPP網(wǎng)絡(luò)命名為MIH_3GLINK_SAP；IEEE 802.11成功鑒權(quán)之前使用MSGCF_SAP傳輸MIH信令，鑒權(quán)之后通過(guò)LSAP傳播有效負(fù)荷；IEEE 802.16在網(wǎng)絡(luò)重接入前使用M_SAP和C_SAP提供鏈路服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)重接入后使用CS_SAP在數(shù)據(jù)平臺(tái)上提供服務(wù)。MIH_NET_SAP是遠(yuǎn)程MIHF實(shí)體之間信息交互的接口。

2 切換方案
    基于L2觸發(fā)的垂直切換通過(guò)IEEE 802.21定義的MIH原語(yǔ)獲取相關(guān)的鏈路層信息。假設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性瞬時(shí)接收信號(hào)強(qiáng)度為RSSinst，加權(quán)平均值為：
   

    無(wú)差錯(cuò)的接收分組的最小功率閾值為RSSLD,即觸發(fā)Link_Down原語(yǔ)；L2觸發(fā)切換的功率閾值為RSSLGD,即觸發(fā)Link_Going_Down原語(yǔ)。預(yù)測(cè)系數(shù)α為：
   
其中，α越大，產(chǎn)生Link_Going_Down原語(yǔ)的時(shí)間越早，即鏈路層斷開(kāi)之前提前進(jìn)行鄰居網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、IP地址配置的時(shí)間越早，越能有效減少切換時(shí)延和丟包，但會(huì)引起服務(wù)網(wǎng)絡(luò)使用率的降低。α=1表示沒(méi)有提前觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層切換，即鏈路層切換完成后再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層切換，α>1為本文提出的基于L2觸發(fā)的切換方案。此外，α隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度的增加而增加，詳解見(jiàn)仿真分析。為了避免切換產(chǎn)生乒乓效應(yīng)，定義自信閾值RSSLHI和自信系數(shù)β，其中自信系數(shù)為：

    移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地監(jiān)聽(tīng)RSSinst，其加權(quán)平均值RSSavg<RSSLGD時(shí),預(yù)測(cè)到服務(wù)網(wǎng)絡(luò)連接即將斷開(kāi),觸發(fā)Link_Going_Down原語(yǔ)，指示在某一時(shí)間間隔內(nèi)鏈路斷開(kāi)及鏈路下降的理由。MIHF從鏈路層接收此觸發(fā)事件，轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的MIH用戶，MIH用戶通過(guò)MIH原語(yǔ)獲取鄰居網(wǎng)絡(luò)的鏈路資源、QoS等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)前綴、網(wǎng)絡(luò)列表等。通過(guò)獲取的鄰居網(wǎng)絡(luò)信息在鏈路層切換開(kāi)始之前配置網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)交地址。如果切換預(yù)測(cè)時(shí)間足夠長(zhǎng)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)連接之前完成切換，則可實(shí)現(xiàn)是無(wú)丟包的平滑切換。
　 隨著RSSinst持續(xù)降低，當(dāng)RSSavg<RSSLHI時(shí)執(zhí)行切換判決，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)依據(jù)用戶喜好、網(wǎng)絡(luò)成本和網(wǎng)絡(luò)資源等多種切換準(zhǔn)則選擇最佳的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。在RSSinst降低到RSSLD時(shí)，指示鏈路層切換斷開(kāi)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移入新網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始網(wǎng)絡(luò)層切換，更新通信對(duì)端（CN）和家鄉(xiāng)代理（HA）的轉(zhuǎn)交地址，同時(shí)通知原服務(wù)網(wǎng)絡(luò)釋放為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配的資源，至此切換完成。基于L2觸發(fā)的切換流程如圖2所示。

3 仿真分析
　 為了評(píng)價(jià)L2觸發(fā)對(duì)切換性能的影響，本文采用NIST提供NS-2.29平臺(tái)下的移動(dòng)性管理模塊[6]，仿真場(chǎng)景以IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)與UMTS網(wǎng)絡(luò)之間切換為例，通信對(duì)端（CN）通過(guò)帶寬為100 Mb/s有線網(wǎng)絡(luò)連接到核心網(wǎng)。UMTS分配384 kb/s的DCH信道，覆蓋整個(gè)仿真場(chǎng)景范圍，IEEE 802.11帶寬為54 Mb/s，覆蓋范圍為50 m。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有UMTS和無(wú)線局域網(wǎng)2個(gè)無(wú)線端口，最初通過(guò)UMTS網(wǎng)絡(luò)與CN進(jìn)行通信，仿真開(kāi)始以1~20 m/s速度越過(guò)IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)，切換次數(shù)為兩次。從UMTS切換到IEEE 802.11并非由信號(hào)強(qiáng)度降低決定，而是由切換策略決定，是一種軟切換情形，它使切換過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)延和丟包問(wèn)題容易解決[7]。本文重點(diǎn)研究IEEE 802.11切換到UMTS，MIPv6移動(dòng)性管理協(xié)議為無(wú)L2觸發(fā)，屬于硬切換，完成L2切換后才能開(kāi)始L3切換，切換時(shí)延和丟包率比較大。因此，本文通過(guò)引入MIH輔助的L2觸發(fā)切換，在L3切換開(kāi)始之前獲取網(wǎng)絡(luò)層切換相關(guān)的信息，從而減小切換時(shí)延和丟包率。
    圖3為有/無(wú)L2觸發(fā)的切換中斷時(shí)延對(duì)比。這里定義切換中斷時(shí)延為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在切換期間任何接口都不能接收任何信息包的時(shí)間。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以1 m/s的速度移動(dòng)，預(yù)測(cè)系數(shù)α=1.2，自信系數(shù)β=0.8,無(wú)L2觸發(fā)情形下119.99 s發(fā)生切換，切換中斷時(shí)延為0.364 s，有L2觸發(fā)情形下119.08 s發(fā)生切換，切換時(shí)延為0.164 s，比無(wú)L2觸發(fā)的切換時(shí)延降低55%。切換時(shí)刻稍有差別是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度RSSavg低于自信閾值RSSLHI將重定向信息流。

　 圖4為不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下丟包數(shù)目的對(duì)比，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增大,丟包的數(shù)目急劇增加。例如網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷為50 kb/s時(shí)無(wú)L2觸發(fā)丟包35，有L2觸發(fā)丟包15；網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷為384 kb/s時(shí)，無(wú)L2觸發(fā)丟包307，有L2觸發(fā)丟包138。由圖4計(jì)算得知，有L2觸發(fā)切換比無(wú)L2觸發(fā)的平均丟包降低59%。

    從圖3和圖4可知，基于MIH協(xié)議的L2觸發(fā)顯著地優(yōu)化了切換期間的時(shí)延和丟包。基于L2觸發(fā)切換方案的預(yù)測(cè)系數(shù)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度對(duì)切換性能起決定性作用。因此，本文下面分析不同移動(dòng)速度、不同預(yù)測(cè)系數(shù)對(duì)L2觸發(fā)切換的中斷概率、丟包率和網(wǎng)絡(luò)使用率的影響。
　 圖5為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同速度下切換中斷概率的對(duì)比。中斷概率定義為：中斷概率=，切換時(shí)延包括鏈路層切換時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)檢測(cè)、IP地址配置、綁定更新產(chǎn)生時(shí)延總和。如果中斷概率為0表示切換是平滑的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在斷開(kāi)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之前已完成切換過(guò)程，中斷概率越大表示L2觸發(fā)切換越類似于無(wú)L2切換觸發(fā)情形。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度為1 m/s時(shí)，不同預(yù)測(cè)系數(shù)α中斷概率相差不大；移動(dòng)速度達(dá)到20 m/s時(shí)，α=1.4比α=1.1的切換中斷概率降低30%。因此，移動(dòng)速度增大時(shí)，α也需相應(yīng)地增大，從而獲取最佳切換性能。

    圖6為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同速度下切換丟包率的對(duì)比，丟包率定義為：丟包率=。顯然，相同速度下α越大，提前觸發(fā)的時(shí)間就越早，丟包率就越低。圖7為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同速度下的網(wǎng)絡(luò)使用概率，本文指IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)的使用概率。本文定義網(wǎng)絡(luò)使用率如下：網(wǎng)絡(luò)使用率=。網(wǎng)絡(luò)使用率曲線不平滑的主要原因是本文切換涉及到網(wǎng)絡(luò)層切換，而FMIPv6協(xié)議代理路由器通告（PrRtAdv）消息廣播網(wǎng)絡(luò)層地址有最小時(shí)間間隔限制，從而導(dǎo)致移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切入或切出IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)時(shí)間具有浮動(dòng)的特性。因此，同一預(yù)測(cè)系數(shù)α不同速度的網(wǎng)絡(luò)使用率上下浮動(dòng)。在相同移動(dòng)速度下，α越大網(wǎng)絡(luò)使用率越少，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)時(shí)間越早。這與IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)具有較大帶寬、較低的接入成本，從而作為UMTS與802.11重疊覆蓋時(shí)首選網(wǎng)絡(luò)的切換判決準(zhǔn)則相違背，因此綜合考慮切換性能選擇合適的預(yù)測(cè)系數(shù)α將是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換的研究方向之一。

　　本文提出了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)L2觸發(fā)切換模型，L2觸發(fā)由MIH協(xié)議的Link_Going_Down事件輔助實(shí)現(xiàn)。以IEEE 802.11切換到UMTS為例，在NS-2軟件平臺(tái)上有效地驗(yàn)證了有L2觸發(fā)切換比無(wú)L2觸發(fā)降低55%切換時(shí)延和59%丟包率。在基于L2觸發(fā)的切換模型中，預(yù)測(cè)系數(shù)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度對(duì)切換性能起著關(guān)鍵性作用，因此本文通過(guò)仿真定性地分析了它們對(duì)切換中斷概率、丟包率和網(wǎng)絡(luò)使用率的影響?；贚2觸發(fā)的預(yù)測(cè)系數(shù)與移動(dòng)節(jié)速度的定量分析將是筆者的下一步工作。